CO2를 연료로 바꾸는 촉매…KAIST가 '안 되는 이유' 찾았다

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 오지훈 교수 연구팀이 고려대학교 화학과 스테판 링에 교수 연구팀과 공동연구를 통해 전기화학적 이산화탄소(CO2)환원 반응의 새로운 작동 원리를 규명했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 금(Au)·은(Ag)·팔라듐(Pd)을 섞은 합금 촉매를 제작하고, 이 촉매가 CO2를 어떤 물질로 바꾸는지 분석했다.

이산화탄소는 대표적인 온실가스로 꼽히는 동시에 탄소를 포함한 유용 자원으로 주목받고 있다. 이를 전기화학적으로 연료화하는 방법은 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 기대되고 있다.

그러나 기존 촉매의 복잡한 반응에 대한 명확한 설명이 부족했고 원하는 생성물을 높은 선택도로 만드는 촉매를 찾는 과제도 남아있다.

기존 촉매 이론은 촉매 표면 전자의 반응성을 나타내는 'd-밴드 센터'와 '일함수'가 구리와 비슷하면 구리처럼 에틸렌·에탄올 같은 다탄소(C2+) 화합물을 만들 수 있을 것으로 예측해왔다.

연구팀은 공동-스퍼터링 공정을 활용해 전자적 특성이 구리와 매우 유사한 삼성분계 합금(금·은·팔라듐 세 종류 금속을 섞어 만든 합금)을 정밀하게 제작했다.

이 합금은 일산화탄소 같은 단순 생성물은 만들었지만 에틸렌·에탄올 같은 복잡한 다탄소 화합물은 전혀 생성하지 못했다. 이는 촉매의 전자적 특성만으로는 복잡한 CO2전환 반응을 설명하기 어렵다는 의미다.

연구팀은 이번 연구가 향후 구리를 대체할 차세대 고효율 촉매 개발의 중요한 단서가 될 것으로 기대하고 있다. 특히 단순 전자 구조 중심의 기존 설계를 넘어 원자 배열까지 고려하는 정밀 촉매 설계 전략이 필요하다는 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

오 교수는 "이번 연구는 기존 촉매 이론만으로는 복잡한 다단계 탄소 전환 반응을 충분히 설명하기 어렵다는 점을 보여준다"며 "앞으로는 전자의 특성과 국소 원자 배열을 함께 고려하는 새로운 촉매 설계 전략이 필요하다"고 말했다.

KAIST 김범일 박사와 왕순언 박사과정생, 고려대 한승창 박사가 제1저자로 참여한 이번 논문은 국제 학술지 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)에 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업, 탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업, 개인연구사업과 한국과학기술정보연구원(KISTI) 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr